开关电源电容器的选择

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三、电容类型和应用场合
3.1 极性电容-电解电容-铝电解,钽电解和
铌电解电容
1. 铝电解电容-一般电解电容指铝电解电容 结构:纯铝阳极电极板一面电极,一面阳极化生成氧化铝 介质,为了增加面积,增加电容量极板氧化成多孔结构。 电解液与阴极电气相连。 温度范围:-25℃~85℃,-40℃~85℃,-55℃~ 85℃,-40℃~105℃,-55℃~105℃和-55℃~ 125℃等等 工作寿命:ESR增加30% ,或电容量减少到80%判定电 容寿命终止。温度上限的工作时间为工作寿命。如2k 小时,5k小时或10k小时等。
电容温升是ESR损耗引起的。为了保证电容的寿 命,电容规定了允许纹波电流值,而有些电容规 定了电压变化率,即dV/dt,一般用V/μs表示。 决定此电容脉冲电流(CdV/dt)能力。
电容损耗:P
= I RESR
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Tm Ta = ΔT = RthP
I-纹波电流有效值(A); 绝缘介质决定了最高温度Tm,环境温度Ta决定温升 ΔT。而电容器的体积决定了散热面积,即决定了热 阻,因此给定电容的允许损耗也就确定了。不同电容 的ESR不同,各种电容允许的稳态电流有效值也不同。 超过电容的温升,将引起电容寿命大大缩短或爆裂。
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使用 1. 因为电容老化与温度紧密相关,多个电容安装在
一起时,电容之间应当留有空隙,便于散热,电 解电容不同外形尺寸的电容间距离为φ40以上 >5mm, φ18~35应>3mm,φ6~16应>2mm; 2. 电容安装时尽量不要靠近功率器件和发热源; 3. 不要用有机洗涤剂清洗; 4. 电路电压最高电压不超过耐压值的1.2倍; 5. 不能反极性; 6. 已安装在PCB上的电容不得强迫拉压或歪扭; 7.在电压允许的情况下,电容的+-端尽可能靠 近,减少引线电感。 20 8.并联
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使用
1类用于定时、谐振电路和需要补偿温度效应的 电路,也适合要求低损耗和高绝缘电阻的一般 电路中使用。在收音机、电视机、收录机等电 子产品种要求容量稳定的交直流的脉冲电路中 使用。在收音机、电视机、收录机等电子产品 种要求容量稳定的交直流的脉冲电路中使用。 2类电容量大,外形尺寸小。电路中用于隔直流 、旁路耦合、滤波和对损耗和容量稳定性要求 不高的场合。 3类 容量大,但要求不高的地方,价格低廉。多 层陶瓷电容,代替低压电解电容。
通常选择电容额定电压不得小于电容所承 受电路最高电压的125%。
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3. ESR、ESL和损耗系数
电容等效电路:C,ESR,ESL和RS
1 Z≈ + jωLESL + RESR j ωC
ESR:引线、焊接和介质极化损耗。介 质损耗与温度和频率有关。 ESL:引线、电容极板结构有关。 RS:泄漏电阻,一般很大 损耗系数:容量>1μF,用120Hz;< 1μF ,用1kHz。C(μF),DF(%)
对于工频整流,通常按允许纹波和输出功率选 择电容量: 1.对于直接从工频220V输入整流,工程上可以简 单按约1μF/W选择电容量。 2.如果不是直接从220V/50Hz输入,或电源时 110V,或经变压器降压等等,可以按以下方法 选取:
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工频整流电容滤波电容选择
能量关系
Po Po α Po C= = = 2 2 2 2 f (U p U v ) fU p (1 k ) fU i2min
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电解电容的选择
电压定额的选择 因为电解电容的化成电压高于额定 电压(30~50)%,一般选择电 容额定直流电压大于或等于电路 最高峰值电压即可。 容量选择 1、按ESR选择
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按开关电源允许输出纹波电压ΔUpp和纹波 电流Δ I(Buck类LC滤波通常为负载电 流的20%)选择电容量。 例:Buck类LC滤波输出电流为20A,允许纹 波纹波电压为100mV。f=50kHz .选择电解 电容。 解:纹波电流为0.2Io=0.2×20=4A。因为 ΔUpp= Δ IRESR= 4×65×10-6/C ,则需要C = 4×65×10-6/0.1=2600μF。 如果不考虑ESR,按照此容量计算纹波电 压为ΔUpp= Δ IT/2C = 4×20×10-6/(2×2600×10-6)=15.4mV
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如果是反激类电感(反激变换器变压器,Boost, Buck/Buck,Cuk等电感)电容电流有很大的峰 值电流。除了按峰值电流选取电容IOFp×RESR = ΔUpp 外,还应检查电容交流有效值不应当 超过限值。 如果电感电流是连续模式(Ia-中值电流):
I = I a D(1 D)
断续(Ip-峰值电流) :
式中
1 XC = ωC
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二、电容器的主要参数
1. 容量:单位-F,(mF),μF,nF,pF
误差等级-±1%(00)级,±2%(0)级,±5%(Ⅰ)
级,±10%(Ⅱ)级和±20%(Ⅲ)级
标称值-和电阻相同。按照公差等级决定序列。
如公差10%:1.0,1.2,1.5,1.8,2.2,2.7,3.3,4.7 和6.8等,像4.7μF,0.047μF,47pF等等 容量标注在外壳上,测试条件为25°C,>1μF 测试频率为 120Hz, 1μF >C>1nF 测试频率为1kHz
查得α=2.632,D=0.1436,β=0.691
得到电容 C = 电容电流有效值
α Po
fU i2min
取150 μF 2.632 × 118 = = 128μF 2 50 × 220
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I ac = β CfU i min = 0.691× 150 × 50 × 220 × 10
A = 1.14
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使用:
相同容量金属箔常用于脉冲、交流高压、缓冲电 路(snubber)和谐振电路。 金属化电容在局部击穿时产生高温,金属箔蒸发 不会短路,电容量减少极小,这种现象就是所谓 自愈能力,体积小,价格低。这类电容除了一般 应用以外,常用于电磁兼容的X电容和Y电容。 金属化聚碳酸酯膜介质CLS体积小,耐高温、温度 系数小、绝缘电阻高、自愈性。常应用于逻辑控 制电路、延时、积分、滤波、耦合和移相电路。 *金属化电容不使用在低电容,小于0.01μF,谐振电 路 ,吸收电路 ,低噪声 。 壳温升不超过15°C,高温环境壳温不超过最高允 许温度。
分类:3类 1类:高精度,1pF到几个mF;1类:高精度, 1pF到几个mF; 2类 :独石电容,和1类相同的壳体,容量是以 上电容20~70倍,但在温度-55℃~125℃范围 内变化大约±10%,最大变化为+15%~- 25%; 3类:电容容量是2类大约5倍,电容量随电压 和温度变化较大。温度范围-25℃~85℃,电 容变化大约+20%~-65%
10858851012fm110936a极板面积md极板间距离m通常电容器名称是以介质材料来命名的一些材料的相对介电常数材料空气10橡胶27蒸馏水80云母675腊纸43玻璃558矿物油22陶瓷58尼龙355氧化铝7510聚酯薄膜31导热硅脂3943人造云母52聚四氟乙烯1822电容电路中电流电容存储的能量cucududtdtduucuidt电容电压不能突变正弦交流uusincos容量
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寿命降额:阿亨纽斯(Arrhenius)定律, 容芯温度减少10℃ ,寿命增加1倍。电压 超过额定电压也要降额。但额定工作电 压最大不应大于电容定额的电压。 ESR与纹波电流:电解电容的温升是RESRI2 引起的。开关电源中输出纹波电压主要 是ESR引起的。而I为纹波电流的有效值 。 ESR:20kHz以上,一般ESR与其容量的乘 积为RESRC=50~80×10-6(s)。
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3.2 无极性电容 1.有机薄膜电容
介质:薄膜电容有聚乙烯、聚酯(CL)、聚丙烯 (CB)、聚四氟乙烯(CF)、聚碳酸脂(CLS )等 薄膜电容。精密、温度特性好、低漏电流。 类型:1.金属箔/膜电容-金属箔作为电极。极 低的ESR,可以承受很高的dV/dt和交流电流。 体积大,价格高。容量小(低于0.01μF ) 2.金属化电容 -喷涂在介质铝层作为电 极。ESR大,较低的dV/dt和交流电流能力。体 积小,价格低,有自愈能力。容量大。
2、钽电容 钽电容比铝电容具有好得多的高频特性, 但价格贵,而且电压限制在100V和容量 数百F以下,失效为常为短路极易着火 。中功率电源输入最好选择铝电解电容 ,而输出低压采用贴片钽电容。当然贴 片比插件的容量小而电压低。比铝电解 电容更好的低温性能。 钽电解电容选择与铝电解电容相似。仍以 输出纹波电压和ESR选择电容量。
RESR RESRωC tan δ DF = = = 10000 1000 ωC 10000
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各种电容引线结构典型ESL
SMT元件典型值在2~8nH。 径向引线型电容在10nH~ 30nH,螺旋端子电容 20~50nH,轴向引线型低于 200nH。
容芯卷绕大,平叠小。
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4. 纹波电流和dv/dt定额
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2.电压定额
电容器介质中的电场强度大于它的允许电场强度,这是 绝缘介质中的电子被拉出来,产生雪崩效应,引起介质 击穿。额定电压一般比击穿电压低。高电压定额的电容 需要更厚的介质,比低电压体积大。 额定直流电压:电容两极能施加的最高直流电压。 额定交流电压:受损耗限制,一般比直流电压低得多。 并随频率增加允许交流电压降低。 例如:某电容直流额额定电压为600V,而50Hz交 流额定电压为30V。某电容50Hz交流额定电压为 400V,而在400HZ应用,额定电压降低为240V等。
开关电源中电容器的选择
南京航空航天大学自动化学院 赵修科 世纪电源网上海电源技术研讨会 2010.6
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一、电容器的基本原理
结构 :电容器的基本结构是
由两块导体极板,中间隔离有 不同的电介质(绝缘体)组成 。其符号如图(b)所示。
充电:当两个端子接到电源
时,电源正极将相连极板电子 吸走,留下正电荷;而负极向 另一极板同时送人相等电子。 在外电路形成电流。直到极板 电压等于极板两端电压。
Uip Uv
1 α= 2(1 k 2 )
U p = 2U i min
k= Uv/Up;
1
Ii
Ii
t
cos k 脉冲宽度 t = 2π f
t cos 1 k = 2 ft = D= π T /2
流过电容的交流有效值
I ac = β CfU i min
2
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β = 2 2 (1 k ) D D D
2
定义:
Q = CU
ε 0ε r A

Q C= U
电容量与结构和介质有关:
C=
εA
d d ε= ε0 εr =8.85× 10-12 F/m(1× 10-9 /36π ) ε0
A-极板面积(m2); d-极板间距离(m)
=
εr A εr A 6 = = 8.85 × 10 μF 36πd d
通常电容器名称是以介质材料来命名的
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2. 无机介质电容 云母电容:云母片为介质,浸银后形成电 极。 电容量在数pF到1μF; 电压定额在50Vdc到2500V -55℃~150℃内电容量漂移不超过0.5% 比有机介质箔电容更高的dV/dt能力 体积较大,成本较高。适合于定时、缓 冲电路和高频交流电路使用。
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陶瓷介质电容 : 介质成分是钛酸盐、铌镁酸铅等

电容电路中电流
电容存储的能量
dQ dU i= =C dt dt
U 1 du = ∫ uidt = ∫ uC dt = ∫ Cudu = CU 2 (J) W 0 0 0 2 dt t t
电容电压不能突变
正弦交流(u=Umsinωt)电路中的电容
i=C du 2U 2U = 2CωUcosωt = cosωt = cosωt = I m sin( ωt + π / 2 ) dt 1 / ωC Xc
设计计算参数表
举例:输出功率为100W,变换器效率为85%,变换器
由220V/50Hz交流电源供电,经桥式整流,电容滤波,给 DC/DC变换器供电,变换器允许输入纹波电压峰峰值为 30V,选择输入滤波电容。 Pi = Po / η = 100 / 0.85 = 118 k = (U p 30) / U p = 0.90
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表1 一些材料的相对介电常数 材料 εr 材料 εr 空气 1.0 橡胶 2.7 蒸馏水 8.0 云母 6~7.5 腊纸 4.3 玻璃 5.5~8 矿物油 2.2 陶瓷 5.8 尼龙 3.55 氧化铝 7.5~10 聚酯薄膜 3.1 导热硅脂 3.9~4.3 人造云母 5.2 聚四氟乙烯 1.8~2.2
2 on
Ia
I ac = I p
Don D 3 4
Ip
15
2、按保持时间选择 保持时间-输入瞬时跌落引起输出电压 直流电压下降(ΔU)到欠压保护前的时 间Th。一般数十ms。这种情况下利用电 容放电维持输出功率。 如果输出额定电流为I,则需要的电容 量为
ITh C≥ ΔU
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3.按允许纹波选
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